리튬이온 전지의 한계를 극복할 수 있는 미래 배터리용 새로운 무기 소재의 합성, 전기화학적 특성 및 첨단 X-선 결정학을 이용한 반응 메커니즘 연구

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리튬이온 전지의 한계를 극복할 수 있는 미래 배터리용 새로운 무기 소재의 합성, 전기화학적 특성 및 첨단 X-선 결정학을 이용한 반응 메커니즘 연구
제안자 홍승태, 박기성
자문교원 홍승태, 박기성
연도 2020
타입 A형 과제
코스 장영실
매칭여부 No
참여학생수
소개동영상

제안 배경

리튬이온전지(LIB)는 에너지밀도와 출력 면에서 최고 이차전지로서 이동형 전자기기 뿐만 아니라 전기자동차용 전지로서 사용되고 있고, 나아가 대형 전력저장용 전지로도 이용될 전망이다. 최밀구조를 가진 LIB 양극소재에서 전이금속은 산화/환원을 더 할 수 있는 여지가 있는데 반해, 결정 내 리튬이온의 사이트 수는 한정되어 전지 용량은 이론적으로 거의 한계점에 와 있다. 그 결과, 에너지 밀도의 이론적 한계가 셀 기준 300 Wh/Kg 정도로 전기차에서 요구되는 500 Wh/Kg 에 훨씬 못 미처 순수 전기차의 대중화의 걸림돌이 되고 있어 에너지 밀도의 한계를 뛰어넘는 신 개념의 배터리 화학 및 전극 소재의 개발이 절실히 필요하다.

LIB는 충방전 시 1가 이온인 Li이 양/음극 소재의 결정 구조에 탈삽입되는 반응이 일어난다. 본 과제에서는 Li 대신 2가 금속 이온 (Mg2+, Ca2+, Zn2+)이 결정구조에 탈삽입되는 2가 이온전지를 연구하려고 한다. 2가 이상의 금속 이온이 전극 소재에 탈삽입될 때 1가 이온 전지보다 이론적으로 2~3배까지 용량 증가를 보일 수 있어 에너지 밀도의 breakthrough를 이룰 수 있기 때문이다 (그림 1 참조). 그러나, 이러한 연구는 전세계적으로 연구 초기 단계에 있어 향후 새로운 소재 및 화학반응을 발견할 가능성이 무궁무진하다고 할 수 있겠다.

Ugrp 2020 battery.gif
그림 1. 전극 결정구조에서 Mn+ 이온이 탈삽입될 때 전지용량의 변화

(1가 이온에 비해 2가 3가 이온의 경우는 2~3배 증가가 가능).

과제 목표

우선, Mg, Ca, Zn 와 같은 2가 이온이 전기화학적으로 삽입될 수 있는 결정구조를 가진 호스트 소재를 선정하여 합성하고 전극으로 제조하여 전기화학 셀을 구성하여 배터리 특성을 알아낸다.[1] 한편, 고급 X-선 회절을 이용한 ab initio 결정구조 분석법을 이용하여 결정구조 내에서 일어나는 금속이온의 탈삽입 반응 메커니즘을 밝히는 연구를 목표로 한다.

과제 내용

1 무기 호스트 소재의 합성

  • 우선, Mg, Ca, Zn 와 같은 2가 이온이 전기화학적으로 삽입될 수 있는 결정구조를 가진 호스트 소재를 결정 내 cavity site, ion-diffusion path, 전이금속의 종류 및 원자가를 고려하여 선정하여 다양한 무기 소재 합성법을 이용하여 합성함.
  • 이 과정을 통하여 학생들은 다양한 종류의 결정구조를 이해할 수 있고 스스로 결정구조 모델을 세워볼 수 있는 능력이 배양되고 몇 가지 기본적인 무기소재 합성 기술을 익히게 될 것으로 기대됨.

2 전기화학 (배터리) 특성 규명

  • 합성된 소재를 전극으로 제조하고 전기화학 셀을 구성하여 배터리 전극으로서의 특성을 알아냄.
  • 이 과정을 통하여 학생들은 전극 제조법, 배터리 셀을 구성하는 법, 전해질 제조법, cyclic voltammetry, 충방전 방법 및 소재의 기본적인 전기화학적 특성 분석법을 익히게 될 것으로 기대됨.

3 결정구조적 관점에서 금속 이온 탈삽입 반응 메커니즘 연구

  • X-선 Rietveld refinement 분석법을 이용하여 합성된 소재의 결정구조를 명확히 분석함.
  • 본 연구실에서 고유하게 개발한 X-선 회절을 이용한 ab initio 결정구조 분석법을 이용하여 결정구조 내에서 일어나는 Mg, Ca, Zn 이온의 탈삽입 반응 메커니즘을 결정화학 관점에서 명확히 밝히는 연구를 진행함.[2]
  • 이 연구 과정을 통해서 학생들은 결정구조 모델로부터 X-선 회절 패턴을 시뮬레이션할 수 있고, Rietveld refinement technique를 익히고, 궁극적으로는 unknown structure를 스스로 알아낼 수 있는 능력을 갖게 될 것으로 기대됨.

참고자료

[1] M. Rastgoo-Deylami, M. S. Chae, S.-T. Hong*,"H2V3O8 as-a High Energy Cathode Material for Nonaqueous Magnesium-Ion Batteries" Chem. Mater. 30(21), 7464-7472 (2018).

[2] J. W. Heo, J. Hyoung, S.-T. Hong*, "Unveiling the Intercalation Mechanism in Fe2(MoO4)3 as a Cathode Material for Na-Ion Batteries by Structural Determination" Inorg. Chem.  57, 11901-11908 (2018). 

희망학생